一种基于无人机的实时环境监测装置的制作方法

本实用新型属于环境空气智能检测装置技术领域，具体涉及一种基于无人机的实时环境监测装置。

背景技术：

近年来我国大气污染状况越来越严重，PM2.5、PM10等在污染物中所占比例越来越重。大多数城市通过定点布设监测设备，形成了密集地面污染源检测网。传统监测方式以地面监测站为主，通过在线监测网络建立传感系统，但依然无法满足新时代环境监测的要求。无人机动态立体监测技术具有响应速度快、检测范围广、地形干扰小等特点，是城区空气检测、大气突发事件污染源识别和浓度检测的重要发展方向之一。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于无人机的实时环境监测装置，解决了现有环境监测装置检测范围小以及不能灵活检测三维空间中空气的质量的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种基于无人机的实时环境监测装置，包括带有四个机臂的无人机和控制无人机运动的地面端，机臂的端部都连接有螺旋桨，每个机臂上均安装有直流无刷电机，直流无刷电机上连接有电调，无人机的机身分为两层，机身第一层包括N3飞行控制模块，N3飞行控制模块分别连接有GPS模块、IMU惯性测量单元、遥控器接收模块和锂电池组，电调输入端的两根动力线分别接在锂电池的正负端、三根信号线与 N3飞行控制模块相连，电调输出端三根输出线与直流无刷电机三相连接，

机身第二层设置有数据采集控制器，数据采集控制器分别连接温湿度传感器、集成式空气传感器、无线数传模块发射端和存储模块，

锂电池组与N3飞行控制模块中的电池管理端口连接，锂电池组分别与每个电调的输入端连接，锂电池组还连接无线图传模块、数据采集控制器、模拟摄像头、集成式空气传感器的供电端口，无线数传模块和存储模块由数据采集控制器内部的电源供电，

机身下方还搭载有摄像头挂载云台，摄像头挂载云台上固定安装有模拟摄像头模块，模拟摄像头模块与无线图传模块的发射端电性连接，机身第一层的飞行控制模块和机身第二层的数据采集控制器通过串口相连，

地面端包括遥控器和显示单元，遥控器与N3飞行控制模块信号连接，显示单元分别与无线数传模块接收端、无线图传模块的接收端通过USB接口连接，遥控器接收模块与遥控器信号连接。

本实用新型的特点还在于，

集成式空气传感器模块内嵌在无人机机身第二层的板子内部，集成式空气传感器模块包括气体检测孔、气体检测传感器、内部集成的通信回路和供电回路，气体检测传感器安装在气体检测孔内且安装在机身第二层下面，通信回路与数据采集控制器通过串口连接，内部供电回路与锂电池组连接。

无人机机身下面还设置有四旋翼飞机支架。

显示单元包括PC上位机和手机APP，PC上位机分别与无线数传模块接收端、无线图传模块的接收端通过USB接口连接；手机APP分别与无线数传模块接收端或无线图传模块的接收端通过USB接口连接。

本实用新型的有益效果是，本实用新型的一种基于无人机的实时环境监测装置通过将多种空气检测传感器集成并安装在无人机上，解决了现有空气设备受限于安装位置导致检测位置固定的技术问题，通过无人机加传感器的方式，突破了传统检测设备的限制，可在三维空间中灵活的检测和记录空气指标，并且通过无人机上携带的摄像头可以清晰的拍摄所检测区域的画面，在地面上位机端实时监测和分析图像数据。可在地面端灵活设置工作模式，自动模式可选择垂直断面自主飞行监测或者定高水平巡线飞行监测，前者可实现固定地点、高度梯度式变化的定点监测，后者可按照既定航线完成某一区域的空气监测，其检测方式灵活多变，适应多种应用场景。

附图说明

图1是本实用新型的一种基于无人机的实时环境监测装置的原理图；

图2是本实用新型的机身第一层结构示意图；

图3是本实用新型的机身第二层的平面结构示意图；

图4是本实用新型的机身第二层的外观示意图；

图5是本实用新型集成式空气采集传感器模块的结构示意图。

图中，1.螺旋桨，2.直流无刷电机，3.电调，4.机臂，6.GPS模块，7.DPS 气压计模块，8.N3飞行控制模块，9.锂电池组，10.IMU惯性测量单元，11. 遥控器接收模块，13.无线图传模块，14.数据采集控制器，15.无线数传模块， 16.温湿度传感器，17.集成式空气传感器，18.存储模块，19.模拟摄像头模块， 20.摄像头挂载云台，21.四旋翼飞机支架，22.气体检测传感器安装孔，23. 气体检测传感器，24.通信回路，25.供电回路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的一种基于无人机的实时环境监测装置结构如图1所示，包括带有四个机臂4的无人机和控制无人机运动的地面端，机臂4的端部都连接有螺旋桨1，每个机臂4上均安装有直流无刷电机2，直流无刷电机2上连接有电调3，

无人机的机身分为两层，机身第一层(如图2所示)，包括N3飞行控制模块8，N3飞行控制模块8分别连接有GPS模块6、IMU惯性测量单元10、遥控器接收模块11和锂电池组9，电调3输入端的两根动力线分别接在锂电池的正负端、三根信号线与N3飞行控制模块8相连，电调3输出端三根输出线与直流无刷电机2三相连接，

机身第二层(如图3所示)，设置有数据采集控制器14，数据采集控制器14分别连接温湿度传感器16、集成式空气传感器17、无线数传模块发射端15和存储模块18，

锂电池组9与N3飞行控制模块8中的电池管理端口连接，锂电池组9 分别与每个电调2的输入端连接，锂电池组9还连接无线图传模块13、数据采集控制器14、模拟摄像头19、集成式空气传感器17的供电端口，无线数传模块15和存储模块18由数据采集控制器14内部的电源供电，

如图4所示，机身下方还搭载有摄像头挂载云台20，摄像头挂载云台 20上固定安装有模拟摄像头模块19，模拟摄像头模块19与无线图传模块13 的发射端电性连接，机身第一层的飞行控制模块8和机身第二层的数据采集控制器14通过串口相连，

地面端包括遥控器和显示单元，遥控器与N3飞行控制模块8信号连接，显示单元分别与无线数传模块15接收端、无线图传模块13的接收端通过 USB接口连接，遥控器接收模块11与遥控器信号连接。

集成式空气传感器模块17内嵌在无人机机身第二层的板子内部，如图5 所示，集成式空气传感器模块17包括气体检测孔22、气体检测传感器23、内部集成的通信回路24和供电回路25，气体检测传感器23安装在气体检测孔22内且安装在机身第二层下面，通信回路24与数据采集控制器14通过串口连接，内部供电回路25与锂电池组9连接。

无人机机身下面还设置有四旋翼飞机支架21。

显示单元包括PC上位机和手机APP，PC上位机分别与无线数传模块 15接收端、无线图传模块13的接收端通过USB接口连接；手机APP分别与无线数传模块15接收端或无线图传模块13的接收端通过USB接口连接。

N3飞行控制模块8作为无人机的飞行控制核心部件，是无人机的“大脑”，接收来自于DPS气压计模块7的气压信息完成飞机位置定高；

GPS模块6与N3飞行控制模块8相连，提供无人机飞行过程中的精确位置坐标；

IMU惯性测量单元10测量无人机飞行过程中的姿态(俯仰角、偏航角、横滚角)并将这些数据发送给N3飞行控制模块8，使无人机在飞行中能实现姿态控制(例如机身旋转、倾斜等)；

遥控器接收模块11接收来自地面端遥控器的飞行信号，将遥控信号发送给N3飞行控制模块8，飞行控制模块N3根据当前无人机的高度、坐标以及姿态做出相应运算处理，将电机控制输出信号给电调3，电调3的作用就是将飞行控制模块的控制信号转变为电流的大小以控制电机的转速，通过电调控制直流无刷电机2的旋转，最终使无人机按照遥控信号飞行。其中，锂电池组9负责给整个无人机端系统供电。

数据采集控制器14是数据采集与数据传输单元的核心，通过14将温湿度传感器16、集成的空气传感器17、无线数传模块15以及存储模块18联系在一起，其中集成式空气传感器17由气体检测孔22、气体检测传感器23、内部集成的通信回路24和供电回路25构成，气体检测孔22用于为气体检测传感器提供安装接口，气体检测传感器23用于检测空气参数，通信回路24为空气检测模块提供串口通信电路，供电回路25给整个集成式空气检测传感器供电。温湿度传感器16可以采集空气的温湿度信息，集成的空气传感器17可以采集包括PM2.5、PM10、CO2、CO、NO2、SO2、O3在空气中含量信息。这些数据均输入给数据采集控制器14进行处理并发送给无线数传15，存储模块18内设置有SD卡，上述模块采集的空气指标数据被保存在SD卡中作为备份，模拟摄像头模块19与无线图传模块13的发射端连接，将拍摄的图像实时传输到地面接收端。

据采集控制器14接受处理来自温湿度传感器16和集成式空气传感器17 所采集的信息后发送给无线数传模块发射端15，无线数传模块发射端15接收信息后通过2.4G射频信号传输给地面数传接收端，

无线图传模块13发射端将视频信息通过5.8G射频信号无线传输给地面图传接收端。

锂电池组9给整个无人机端提供电源，所述遥控器的控制信号通过2.4G 射频信号发送至空中与N3飞行控制模块8相连接的遥控器接收模块11，通过遥控器接收模块11解码给N3飞行控制模块8控制信号。

进一步地，所述空气指标检测模块内部集成了多种传感器，其供电电路集成在一起，并将其通讯协议统一为串口通讯，方便与所述数据采集控制器通讯。

进一步地，所述地面遥控单元包括DPS气压采集模块，与所述飞行控制单元的DPS气压采集模块对比，以便所述飞行器更好的悬停，进一步地准确采集空气指标。

进一步，所述飞行器为具备悬停、巡航功能的无人机，通过预先在N3 飞行控制模块中的程序预设悬停高度和巡航半径，通过GPS模块、DPS气压计模块配合N3飞行控制模块工作，无人机空气检测装置可完成指定坐标高度的定点检测，也可在指定规划飞行航线的区域范围检测。

进一步地，数据接收单元包括USB视屏采集卡，将所述无线图传模块接收到的模拟量转换为数字量的视屏信息，并通过USB端口传输给所述数据显示单元。

更进一步地，数据显示单元包括手机APP和PC上位机，可以将所述空气指标数据或视屏图像分别显示在手机APP端，也可以将二者结合传输到 PC上位机进行数据和视屏的监控和分析。

更进一步地，所述无人机空气检测装置可以通过遥控器多段开关的切换本实用新型的一种基于无人机的实时环境监测装置的具体使用方法如下：

工作人员操作遥控器使无人机启动，遥控接收机收到地面遥控器所发的 2.4G无线射频信号并进行解码，将解码后的控制信号送到N3飞行控制模块，飞行控制模块通过IMU模块检测无人机当前姿态角度，进而输出电机的控制信号并通过电调控制直流电机，可操作无人机飞行至任意目标点，然后通过遥控器使无人机定高悬停；当无人机处于悬停状态时，温湿度采集传感器、空气检测传感器工作，测量当前空间坐标点的PM2.5、PM10、CO2、CO、 NO2、SO2、O3的含量和空气温度、湿度以及气压值，这些数据被传输给数据采集控制器，通过无线数传模块以2.4G无线射频信号发送给地面数传接收端，并将这些所测数据按一定的格式(坐标点、高度、数据)保存在与数据采集控制器连接的存储模块的SD中。在整个检测过程中，摄像头模块可以全程工作，监测无人机所在区域的画面，并通过无线图传模块将拍摄的视频发送到地面接收端。地面数据接收端收到上述无线数传模块和无线图传模块所发的测量数据和视频图像，经过处理可以将其显示在PC上位机界面，上位机界面上显示的是所测量空气指标数据的实时波动曲线和监测的图像；也可以通过手机APP单独显示所测数据或者拍摄的视屏。